釉牙本質界面力學行為與仿生材料設計

《釉牙本質界面力學行為與仿生材料設計》是依託上海大學，由張東升擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：釉牙本質界面力學行為與仿生材料設計
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張東升
• 依託單位：上海大學

中文摘要

牙釉質牙本質及其DEJ界面具有複雜的微觀結構，同時它表現出優異的力學性能，它是人體最堅硬的組織，同時具有極高的韌度，研究其微觀結構與力學性能的內在聯繫對開發高性能的仿生材料具有重要意義。本項目擬採用高倍率電子顯微鏡觀察牙釉質、牙本質及DEJ界面的多層結構形態；利用納米壓痕測試它們的彈性和塑性力學參數，利用裂紋擴展法測試其斷裂韌度和疲勞裂紋擴展率，並利用聚焦離子束製備微米，甚至納米級壓縮試件，系統測試構成牙釉質、牙本質及DEJ界面基本組成單元的力學性能；基於牙釉質牙本質及DEJ界面微觀形態，開展多尺度有限元模擬，分析微結構形態參數對力學行為的影響，揭示微結構關鍵形態參數對力學行為的關係與機理；探索運用冷凍鑄造法合成由氧化鋁和聚甲基丙烯酸甲酯組成的具有典型DEJ界面特徵的仿生材料，並測試其力學性能。通過以上研究，將建立生物微觀結構與力學行為的關係，探索高性能仿生材料的設計原理和製作工藝。

結題摘要

本項目開展了光測力學測試技術、生物材料力學與仿生材料設計、以及仿生材料製備等三方面的研究。本項目系統研究了基於數字圖像相關技術的測量方法，提出了一種適合於大旋轉變形的相關算法，提高了DIC技術在測量大旋轉變形的測量精度。通過改進數字圖像相關技術在整像素域的搜尋方法，提出了數字圖像相關的實時跟蹤算法，並在二維和三維數字圖像相關測量中得到了套用。在雷射散斑干涉領域，提出了實時相移方法，獲得了國家發明專利。針對內壁容器的檢測問題，提出了纖維雷射散斑干涉檢測技術，分別利用光纖技術傳播相干光和干涉圖像，獲得了很好的檢測效果。通過納米壓痕測試了不同年齡的牙本質各個部位的彈性模量和硬度，並結合數值計算方法評估了牙本質的塑形力學行為。通過對牙釉質微觀結構的觀察，發現了牙釉質微觀結構中納米釉柱排列方向與微米尺度的釉柱排列方向存在非一致性。數值模擬發現這種非一致性排列對仿生材料有同樣的效果，改進非一致性排列的角度，可以設計負泊松比材料。發展了一種新型內聚力模型該模型考慮了生物硬組織材料內部蛋白質集體的彈性和塑性變形，材料的損傷和裂紋的衍生，同時考慮了蛋白質與礦物質界面的物理性能，可以完美地模擬生物硬組織材料的斷裂力學行為。採用內聚力有限元法首次研究礦物質與蛋白質界面力學行為與蛋白質塑性變形對生物複合材料力學性質的影響。基於生物材料的微觀結構和組成方式，使用Al2O3和PMMA分別模擬礦物質和蛋白質，合成具有生物結構特徵的仿生材料。通過摸索冷凍鑄造法的製備工藝，合成了具有生物微觀結構的仿生材料，通過三點彎曲試驗，該材料具有明顯彈塑性力學特徵。